双闭环h桥直流可逆调速系统.ppt

双闭环双闭环H H桥可逆直桥可逆直 流脉宽调速系统设计与分析流脉宽调速系统设计与分析调速控制系统设计1电源及操作系统设计（简）2双闭环调节器电路设计3仿真模型4参数计算与计算机仿真5Table of Contents设计步骤实验项目概括实验项目概括本本实实验验设设计计了了一一套套实实验验用用双双闭闭环环直直流流调调速速系系统统，详详细细介介绍绍了了系系统统主主电电路路、反反馈馈电电路路、触触发发电电路路及及控控制制电电路路的的具具体体实实现现。对对系系统统的的性性能能指指标标进进行行了了实实验验测测试试，表表明明所所设设计计的的双双闭闭环环调调速速系系统统运运行行稳稳定定可可靠靠，具具有有较较好好的的静静态态和和动动态态性性能能，达达到到了了设设计计要要求求。采采用用MATLABMATLAB软软件件中中的的控控制制工工具具箱箱对对直直流流电电动动机机双双闭闭环环调调速速系系统统进进行行计计算算机机辅辅助助设设计计，以以此此验验证证设设计的调速系统是否可行计的调速系统是否可行.01PART调速控制系统设计a a双闭环直流调速系统的静特性分析双闭环直流调速系统的静特性分析:分分析析静静特特性性的的关关键键是是掌掌握握PIPI调调节节器器的的稳稳态态特特征征，一一般般存存在在两两种种状状况况：饱饱和和输输出出达达到到限限幅幅值值，不不饱饱和和输输出出未未达达到到限限幅幅值值。当当调调节节器器饱饱和和时时，输输出出为为恒恒值值，输输入入量量的的变变化化不不再再影影响响输输出出，除除非非有有反反向向的的输输入入信信号号使使调调节节器器退退出出饱饱和和，换换句句话话说说，饱饱和和的的调调节节器器暂暂时时隔隔断断了了输输入入和和输输出出的的联联系系相相当当于于使使该该调调节节环环开开环环。当当调调节节器器不不饱饱和和时时，PIPI的的作作用用使输入偏差电压使输入偏差电压UU在稳态时总为零。在稳态时总为零。一：控制系统动静态数学模型一：控制系统动静态数学模型建立：建立：图一图一 双闭环直流调速系统的稳态结构框图双闭环直流调速系统的稳态结构框图图二图二 双闭环直流调速系统的静特性双闭环直流调速系统的静特性b b制系统动态性能分析：制系统动态性能分析：由由于于在在起起动动过过程程中中转转速速调调节节器器ASRASR经经历历了了不不饱饱和和、饱饱和和、退退饱饱和和三三种种情情况况，整整个个动动态态过过程程就就分分成成图图中中标标明明的的、三三个个阶阶段段 ：第第一一阶阶段段是是电电流流上上升升阶阶段段，第第二二阶阶段段是是恒恒流流升升速速阶阶段段，第第三三阶阶段段是是转转速调节阶段。速调节阶段。图三 启动过程电流转速波形二：调速系统总体结构设计：二：调速系统总体结构设计：双双闭闭环环调调速速系系统统的的工工作作过过程程和和原原理理：电电动动机机在在启启动动阶阶段段，电电动动机机的的实实际际转转速速(电电压压)低低于于给给定定值值,速速度度调调节节器器的的输输入入端端存存在在一一个个偏偏差差信信号号，经经放放大大后后输输出出的的电电压压保保持持为为限限幅幅值值,速速度度调调节节器器工工作作在在开开环环状状态态,速速度度调调节节器器的的输输出出电电压压作作为为电电流流给给定定值值送送入入电电流流调调节节器器,此此时时则则以以最最大大电电流流给给定定值值使使电电流流调调节节器器输输出出移移相相信信号号,直直流流电电压压迅迅速速上上升升,电电流流也也随随即即增增大大直直到到等等于于最最大大给给定定值值,电电动动机机以以最最大大电电流流恒恒流流加加速速启启动动。电电动动机机的的最最大大电电流流(堵堵转转电电流流)可可以以通通过过整整定定速速度度调调节节器器的的输输出出限限幅幅值值来来改改变变。在在电电动动机机转转速速上上升升到到给给定定转转速速后后，速速度度调调节节器器输输入入端端的的偏偏差差信信号号减减小小到到近近于于零零,速速度度调调节节器器和和电电流流调调节节器器退退出出饱饱和和状状态态,闭闭环环调调节节开开始始起起作作用用。对对负负载载引引起起的的转转速速波波动动,速速度度调调节节器器输输入入端端产产生生的的偏偏差差信信号号将将随随时时通通过过速速度度调调节节器器、电电流流调调节节器器来来修修正正触触发发器器的的移移相相电电压压，使使整整流流桥桥输输出出的的直直流流电电压压相相应应变变化化,从从而而校校正正和和补补偿偿电电动动机机的的转转速速偏偏差差。另另外外电电流流调调节节器器的的小小时时间间常常数数,还还能能够够对对因因电电网网波波引引起起的的电电动动机机电电枢枢电电流流的的变变化化进进行行快快速速调调节节,可可以以在在电电动动机机转转速速还还未未来来得得及及发发生生改改变变时时,迅迅速速使使电电流恢复到原来值流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。双闭环调速系统的起动过程有以下三个特点双闭环调速系统的起动过程有以下三个特点：（1 1）饱饱和和非非线线形形控控制制：随随着着ASRASR的的饱饱和和与与不不饱饱和和，整整个个系系统统处处于于完完全全不不同同的的两两种种状状态态，在在不不同同情情况况下下表表现现为为不不同同结结构构的的线线形形系系统统，只只能能采采用用分分段段线线形形化化的的方方法法来来分分析析，不不能能简简单单的的用用线线形形控控制制理理论论来来笼笼统统的设计这样的控制系统。的设计这样的控制系统。（2 2）转转速速超超调调：当当ASRASR采采用用PIPI调调节节器器时时，转转速速一一定定会会超超调调。一一般般是是容容许许转转速速略略有有超超调调的的，对对于于完完全全不不能能有有超超调调的的，应应用用其其他他控控制制方方法控制。法控制。（3 3）准准时时间间最最优优控控制制：对对于于电电力力拖拖动动系系统统，在在电电动动机机允允许许过过载载能能力力下下的的恒恒流流起起动动，即即为为时时间间最最优优控控制制。虽虽然然实实际际起起动动过过程程与与理理想想启启动动过过程程相相比比还还有有一一些些差差距距，但但无无伤伤大大局局，可可称称作作“准准时时间间最最优优控控制制”。抗扰性能分析抗扰性能分析双双闭闭环环调调速速系系统统一一般般具具有有还还不不错错的的动动态态性性能能。其其中中抗抗扰扰性性能能对对于于调调速速系系统统动动态态性性能能来来说说是是最最重重要要的的，它它主主要要包包括括抗抗电电网网电电压压扰扰动动和和抗抗负载扰动。负载扰动。图四图四 双闭环调速系统稳态的结构图双闭环调速系统稳态的结构图 动态结构图动态结构图转速环三：调节器选择三：调节器选择典型型系统可以在跟随性能上做到超调量小，但抗扰性能稍差；典型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。根据这一依据，实际控制系统对于各种动态指标的要求各不相同选用的系统类型也不同。如调速系统的动态特性以抗扰性能为主，则应首先典型系统；而随系统的动态性能指标以跟随性能为主，可按典型型系统设计。02PART四：控制电源设计Click here to add your titleH H桥双极式逆变器的工作原理桥双极式逆变器的工作原理脉脉宽宽调调制制器器的的作作用用是是：用用脉脉冲冲宽宽度度调调制制的的方方法法，把把恒恒定定的的直直流流电电源源电电压压调调制制成成频频率率一一定定宽宽度度可可变变的的脉脉冲冲电电压压序序列列，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。H H形形双双极极式式逆逆变变器器电电路路如如图图所所示示。这这时时电电动动机机M M两两端端电电压压的的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。图六图六 H H形双极式逆变器电路形双极式逆变器电路 图七图七 H H形双极式逆变器的驱动电压波形形双极式逆变器的驱动电压波形双双极极式式控控制制可可逆逆PWMPWM变变换换器器的的输输出平均电压为出平均电压为如如果果定定义义占占空空比比 ，电电压压系数系数 则在双极式可逆变换器中则在双极式可逆变换器中03PART双闭环调节器电路设计Click here to add your title电流调节器电流调节器由由于于电电流流检检测测中中常常常常含含有有交交流流分分量量，为为使使其其不不影影响响调调节节器器的的输输入入，需需加加低低通通滤滤波波。此此滤滤波波环环节节传传递递函函数数可可用用一一阶阶惯惯性性环环节节表表示示。为为了了平平衡衡反反馈馈信信号号的的延延迟迟，在在给给定定通通道道上上加加入入同同样样的的给给定定滤滤波波环环节节，使使二二者者在在时时间上配合恰当。间上配合恰当。图九 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器3.3.2 3.3.2 转速调节器转速调节器转转速速反反馈馈电电路路如如图图所所示示，由由测测速速发发电电机机得得到到的的转转速速反反馈馈电电压压含含有有换换向向纹纹波波，因因此此也也需需要要滤滤波波，根根据据和和电电流流环环一一样样的的原原理理，在在转转速速给给定定通通道道上上也也加加入入相相同同时间常数的给定滤波环节。时间常数的给定滤波环节。图十 含给定滤波与反馈滤波的PI型电转速调节器04PART参数计算与计算机仿真Click here to add your title设计要求设计要求 稳态无静差，稳态无静差，电流超调量电流超调量ii5%5%，到额定转速时的转速超调量到额定转速时的转速超调量nn1010。电动机基本参数电动机基本参数直直流流电电动动机机额额定定电电压压：U UN N=54V=54V 调速范围：调速范围：D=1D=10 0额定电流：额定电流：IN=3.24A IN=3.24A 静差率：静差率：s s=5 5%额定转速：额定转速：n nN N=1450r/min=1450r/min 电枢电阻：电枢电阻：Ra=1.5 Ra=1.5电枢回路总电阻：电枢回路总电阻：R=4 R=4电枢电感：电枢电感：L=2mH L=2mH转动惯量：转动惯量：J=0.76g.J=0.76g.电枢电动势：电枢电动势：E=Un-In=49.14 E=Un-In=49.14 理想空载转速：理想空载转速：n n0 0=n=nN N+rIn/Ce=1593.36+rIn/Ce=1593.36Ce=E/Nn=0.0339Ce=E/Nn=0.0339GDGD=4gJ=0.029=4gJ=0.029Cm=30Ce/=0.324Cm=30Ce/=0.324 =l/R=510 =l/R=510-4-4=0.5ms=0.5msTm=GDTm=GDR/375CeCn=0.0289R/375CeCn=0.0289U Ud0d0=Un=54v=Un=54v=2-1=0.752-1=0.5=2-1=0.752-1=0.5Us=nUs=n0 0Ce/Ce/=108=108 稳态参数计算稳态参数计算调节器设计调节器设计电流环节设计电流环节设计a选择电流调节器结构根据设计要求电流超调量，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流控制。电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成PI型的，其传递函数为 式中 电流调节器的比例系数；电流调节器的超前时间常数b b计算电流调节器参数计算电流调节器参数电流环小时间之和按小时间常数近似处理：阻尼比：c c校验近似条件校验近似条件c c校验近似条件校验近似条件电流环截止频率电流环截止频率:晶闸管装置传递函数近似条件：晶闸管装置传递函数近似条件：即即:满足近似条件；满足近似条件；忽略反电动势对电流环影响的条件：忽略反电动势对电流环影响的条件：即即 满足条件；满足条件；电流环小惯性环近似处理：电流环小惯性环近似处理：即即满足条满足条 件件按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随指标为：按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随指标为：,满足设计要求。满足设计要求。b b转速环节设计转速环节设计转速调节器设计转速调节器设计a.a.选择调节器结构选择调节器结构按按跟跟随随和和抗抗扰扰性性能能都都能能较较好好的的原原则则,在在负负载载扰扰动动点点后后已已经经有有了了一一个个积积分分环环节节,为为了了实实现现转转速速无无静静差差还还必必须须在在扰扰动动作作用用点点以以前前设设置置一一个个积积分分环环节节,因因此此需需要要由由设设计计要要求求，转转速速调调节节器器必必须须含含有有积积分分环环节节，故故按按典典型型型型系系统统选用设计选用设计PIPI调节器，其传递函数为调节器，其传递函数为c.c.近似校验近似校验按照ARS退饱和情况计算超调量计算机仿真计算机仿真仿仿真真可可采采用用面面向向传传递递函函数数的的仿仿真真方方法法或或面面向向电电气气系系统统原原理理结结构构图图的的仿仿真真方方法法，本本文文采采用用面面向向传传递递函函数数的的仿仿真真方方法法。利利用用MatlabMatlab系系统统仿仿真真结结构下图所示构下图所示图十一 Matlab仿真结构图开环特性空载开环特性空载开环突加负载扰动特性开环突加负载扰动特性闭环特性空载启动特性闭环特性空载启动特性空载超调空载超调由图可看出空载启动超调只有由图可看出空载启动超调只有由图可看出空载启动超调只有由图可看出空载启动超调只有4.62%4.62%左右，完全符合要求左右，完全符合要求左右，完全符合要求左右，完全符合要求额定负载启动波形额定负载启动波形由图可看出启动的超调在减小，与课本结论一致由图可看出启动的超调在减小，与课本结论一致突加负载扰动的波形突加负载扰动的波形